科学家打造紧凑型固态激光系统，可用于提高半导体光刻精度

近日，来自中国科学院空天信息创新研究院和中国科学院大学的研究人员打造出一种紧凑型固态纳秒脉冲激光系统，该系统能在 6 kHz 的重复频率下生成 193 nm 的相干光，未来有望用于芯片光刻领域。

具体来说，研究人员自主研发出一种 Yb:YAG 晶体放大器，其所产生的 1030 nm 激光会被分为两部分：一部分通过四次谐波生成 258 nm 激光，另一部分用于泵浦光参量放大器，能够产生 1553 nm 激光。这些光束在级联晶体中的频率混合产生了 193 nm 激光，平均功率为 70 mW，线宽小于 880 MHz。

通过在频率混合之前向 1553 nm 光束引入螺旋相位板，研究人员生成了轨道角动量光束。

据研究人员所知，这是首次从固态激光器中生成 193 nm 轨道角动量光束的演示。

这样的光束对于激发混合氟化氩（ArF，Argon Fluoride）准分子激光器很有价值，并在晶圆加工和缺陷检测中具有潜在应用。

ArF 是一种准分子激光，其波长为 193 nm，属于深紫外波段。在半导体制造中，ArF 激光主要用于高分辨率光刻。

另据悉，本次系统的工作带宽小于 880MHz，其光谱纯度性能可与当今商用系统相媲美。与此同时，本次系统大约占据 1200mm x1800mm 的光学平台，其占地面积还能被进一步减小以便满足工业应用的要求。

据介绍，从 1030 nm 激光到 193 nm 激光的转换过程与研究人员之前的工作非常相似。

具体来说，由 969 nm 的 100 W 多模激光二极管（LD，laser diode）泵浦的、基于 2mmx2mmx30mm Yb:YAG 晶体的 1030 nm 激光放大器，能够提供超过 14 W 的 1030 nm 脉冲激光，其重复频率为 6 kHz，脉冲持续时间为 13.1 ns。

需要说明的是，泵浦——是一种使用光将电子从原子或分子中的较低能级升高到较高能级的过程。

研究中，研究人员分别通过在三硼酸锂晶体和六硼酸铯锂中的连续二次谐波产生和四次谐波生成过程，让 1030 nm 激光生成 258 nm 激光。1030 nm 激光还能用作两级光参量放大器的泵浦源，以便提供高功率的 1553 nm 脉冲激光。

与光纤放大器不同的是，研究人员使用基于光参量放大器的激光源来生成 1553 nm 的亚瓦级脉冲激光。

经过这一修改，系统变得更加紧凑，并且不再需要电子控制器来同步和频产生中的 1553 nm 和 258 nm 脉冲序列，而是可以使用光学延迟线来实现。（注：和频产生，是一种非线性光学过程。）

由 1553 nm 和 258 nm 激光泵浦的两级和频产生过程，通过使用级联三硼酸锂晶体，可以分别生成 221 nm 激光和 193 nm 激光。

对于 1553 nm 脉冲激光源来说，它包含两部分：一部分是由连续波（CW，continuous-wave）单频分布式反馈激光二极管充当种子光源，另一部分是基于周期性极化铌酸锂晶体的两级光参量放大器。

单频分布式反馈激光二极管工作于 1553 nm，发射平均功率为 12 mW。研究中，1030 nm 泵浦激光与种子激光一起被引入 1mmx1mmx40mm 的周期性极化铌酸锂晶体，以便形成光参量放大器的第一阶段。

期间，放大之后的信号激光通过一种特殊的光学元件——二向色镜，来从光参量放大器的第一阶段和光参量放大器的第二阶段的输出中滤出，期间伴随着残余泵浦激光和 3μm 的闲频激光。

随后，研究人员通过激光功率探测仪器，来确定信号激光的功率，以便区分脉冲信号分量与连续波种子激光。

由于泵浦激光的低占空比和种子激光的弱功率，光参量放大器的泵浦阈值接近 600 mW。（注：占空比是指在一个脉冲周期内，信号处于高电平的时间与整个脉冲周期时间的比值，通常用百分比来表示。）

在平均功率约为 700 mW 的泵浦激光下，研究人员从光参量放大器的第一阶段获得了超过脉冲能量，对应的平均功率为 48 mW。

然后，放大的脉冲信号在光参量放大器的第二阶段中被加以进一步放大，通过使用另一个 5mmx3mmx30mm 的周期性极化铌酸锂晶体，所得到的最大泵浦功率为 3 W。

与此同时，研究人员将光参量放大器第二阶段中的泵浦激光功率密度保持在接近 30MW/cm²，以避免周期性极化铌酸锂的光折变损伤。（注：光折变损伤是光折变材料在受到强光照射时所产生的一种不良光学效应。）

通过此，研究人员获得了 1553 nm 的 700 mW 信号激光，对应的效率为 23.3%。

这一效率的提高表明，随着泵浦功率的增加，输出功率能够得到进一步提高。

研究人员发现，放大信号激光的中心波长与种子激光一致，但是光谱会略微地变宽。

尽管随着泵浦功率的增加，参量荧光噪声可能会增加，但是信噪比仍然接近 50 dB。

为了准确测量 1553 nm 激光在光参量放大器过程中的线宽演变，研究人员使用了分辨率约为 1 MHz、自由光谱范围为 1.5 GHz 的扫描干涉仪。

在光参量放大器的第一阶段和光参量放大器的第二阶段，连续波激光的初始线宽分别从 180 MHz 展宽到 370 MHz 和 580 MHz。

由于光参量放大器过程的参量转换阈值，信号激光比泵浦激光有着更陡的脉冲前沿，持续时间由 13.1ns 缩短至 9ns。

基于此，研究人员获得了基于光参量放大器的 1553 nm 脉冲激光，平均功率为 700 mW，脉冲持续时间为 9 ns，并能用于生成 193 nm 激光的泵浦源。

为了进一步扩展 193 nm 激光的应用，研究人员首次通过实验演示了 1553 nm 涡旋光束，通过在光参量放大器后引入螺旋相位板，将 1553 nm 脉冲激光的基本高斯模式转换为携带轨道角动量的拉盖尔-高斯（LG，Laguerre–Gaussian）模式。

期间，直径为 25 mm 的螺旋相位板被安装在直径为 25.4 mm 的透镜适配器中。

尽管螺旋相位板两端没有涂抹抗反射涂层，但其透射率大于 90%。

随后，所携带的轨道角动量通过和频产生过程转移至 221 nm 激光和 193 nm 激光。

为了验证涡旋光束的生成，研究人员使用热释电相机分别记录了 1553 nm 激光、221 nm 激光和 193 nm 激光在不同模式下的光束轮廓。

在插入螺旋相位板之前，1553 nm 激光、221 nm 激光和 193 nm 激光都表现出高斯模式轮廓。（高斯模式轮廓，指的是一种常见的光束模式，其光强分布呈现出高斯函数的形状，具有特定的剖面特征。）

插入螺旋相位板之后，1553 nm 激光模式得到转换，并表现出环形强度分布趋势，而这正是拉盖尔-高斯模式的表现。（注：拉盖尔 - 高斯模式（Laguerre - Gaussian mode）是激光光束的一种重要模式。）

在确定其拓扑电荷的时候，研究人员发现只需引入一个圆柱透镜，就能获得拉盖尔-高斯模式的衍射图案，即所谓的厄米-高斯（HG，Hermite–Gauss）模式。（注：在光学领域，厄米 - 高斯模式是一种重要的光束模式。）

为了最大限度地减少 Gouy 相移对于厄米-高斯模式的影响，193 nm 激光束最初由焦距为 200 毫米的氟化钙透镜聚焦。（注：Gouy 相移，是一种在光学领域中与高斯光束传播相关的特殊相位变化现象。）

由于圆柱透镜的焦距较短，因此它被放置在氟化钙透镜的焦点附近。

圆柱透镜将环形光束转换为中间有间隙的两个亮点，这表明生成了拓扑电荷为 1 的涡旋光束，这一结果与螺旋相位板的 2π 相移一致。（注：2π 相移意味着一个波相对于另一个波完成了一整圈的循环。）

由于涡旋光束与高斯模式之间的强度分布有着明显差异，因此 258 nm 激光的光束必须被放大以便能够覆盖 1553 nm 激光，确保在和频产生 1 和和频产生 2 中实现更好的轨道角动量传递。

然而，与上述全高斯模式实验相比，258 nm 激光的功率密度较弱，这大大降低了和频产生的转换效率，以至于研究人员仅获得了 30 mW 的 221 nm 激光和 3 mW 的 193 nm 激光。

根据非线性过程中的轨道角动量守恒定律，和频产生生成的激光的拓扑电荷，等于泵浦激光的拓扑电荷之和。

因此，1553 nm 激光的拓扑电荷为 1，258 nm 激光为高斯模式所以其拓扑电荷为 0，221 nm 激光的拓扑电荷为 1。

期间，193 nm 涡旋光束的衍射图案被分成三个亮点，中间有两个暗间隙，而强度分布仍然保持环形。

与 1553 nm 的基本涡旋光束相比，由于非线性晶体的相位失配和走离效应，在和频产生过程中 221 nm 激光和 193 nm 激光的涡旋光束轮廓，不可避免地会发生畸变。

与此同时，级联结构还会增加轨道角动量转换的复杂性，甚至可能会导致模式退化。（模式退化，是指光波导中原本存在的特定模式的特性发生劣化或者偏离理想状态的现象。）

研究人员认为，通过使用更短的晶体、或使用独立的和频产生过程，或许可以提高携带轨道角动量模式的质量。

考虑到 1553 nm 激光由 1030 nm 激光加以泵浦和放大，而从 1030 nm 激光到 193 nm 激光的整体转换效率大约为 0.55%。因此，尽管目前的转换效率较低，但是通过增加 1030 nm 的泵浦功率，193 nm 激光的功率预计将超过数百毫瓦甚至可能达到瓦级。

此外，使用具有更高非线性系数的非线性晶体，将能显著提高实现这一目标的可行性。

与此同时，通过插入螺旋相位板，可以将高斯模式转换为拉盖尔-高斯模式，从而能够生成携带轨道角动量的 1553 nm 涡旋光束。

通过改变螺旋相位板的相移，很容易就能改变拓扑电荷的阶数。此前有研究报道，携带轨道角动量的光束可以在单晶光纤和氮气等离子体中放大，这表明 193 nm 涡旋光束也可以在准分子激光器中放大。

基于此，研究人员预计利用其高功率输出以及独特的涡旋光束特性，193 nm 激光将能被用于各种新应用之中。

参考资料：

https://mp.weixin.qq.com/s/aq3FoFvAtKMBcR4fE_et_A

https://laser.ofweek.com/2024-01/ART-8300-2400-30621974.html

https://www.spiedigitallibrary.org/journals/advanced-photonics-nexus/volume-4/issue-02/026011/Compact-narrow-linewidth-solid-state-193-nm-pulsed-laser-source/10.1117/1.APN.4.2.026011.full?webSyncID=ee69dc16-be41-330d-39a7-e98330455ba7&sessionGUID=61ab207b-8664-8051-4dd7-b2c1411108a8